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清洁供暖储热技术现状与趋势

储能科学与技术 2020年第3期9卷 861-868页

作者：凌浩恕何京东徐玉杰王亮陈海生中国科学院工程热物理研究所北京100190 中国科学院北京100864

推进北方地区建筑冬季清洁供暖,是重大的民生工程、民心工程。目前清洁供暖技术种类繁多,各具特点,其中集成储热技术的清洁供暖技术是研究热点。为了全面分析清洁供暖储热技术发展现状和趋势,本文分析并总结了清洁供暖技术、储热技术的... 详细信息

推进北方地区建筑冬季清洁供暖,是重大的民生工程、民心工程。目前清洁供暖技术种类繁多,各具特点,其中集成储热技术的清洁供暖技术是研究热点。为了全面分析清洁供暖储热技术发展现状和趋势,本文分析并总结了清洁供暖技术、储热技术的性能特点和发展现状,并结合二者的性能,分析了典型清洁供暖储热技术发展现状和趋势。结果表明,清洁供暖技术分为清洁燃煤集中供暖技术、天然气供暖技术、电供暖技术和可再生能源等其他清洁供暖技术。其中,利用储热技术的电供暖技术由于可以配合电网调峰,解决可再生能源电力波动性,受到了广泛的关注。储热技术分为显热储热技术、潜热储热技术和热化学储热技术。显热储热技术具有储热规模大、寿命长、成本低、技术成熟度高等优点,是研究最早、利用最广泛、最成熟的技术;潜热储热技术具有储热密度高、放热过程温度近乎恒定的优点,是目前主要研究和应用热点;热化学储热技术具有更大的能量储存密度可实现长期储存热能等优点,但处于实验室验证阶段。清洁供暖储热技术有逐步聚焦的趋势,主流技术包括水储热技术、高温固体电储热技术、相变电储热技术等。本研究可为我国北方清洁供暖技术设计和应用提供参考和依据。

关键词：清洁供暖储热显热储热潜热储热热化学储热

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组合式相变材料换热器储热速率的实验研究

暖通空调 2008年第5期38卷 65-67页

作者：于丹曹勇曾范梅北京建筑工程学院中国建筑科学研究院吉林省绿地建筑工程设计事务所

搭建了一套储热换热器性能测试和数据采集系统,研究了温度和流量对包括HR- 35、月桂酸和HR-50三种相变材料的组合相变材料换热器的储热特性的影响。结果表明,与单一相变材料的储热换热器相比,组合式相变材料储热换热器的储热速率增大,... 详细信息

搭建了一套储热换热器性能测试和数据采集系统,研究了温度和流量对包括HR- 35、月桂酸和HR-50三种相变材料的组合相变材料换热器的储热特性的影响。结果表明,与单一相变材料的储热换热器相比,组合式相变材料储热换热器的储热速率增大,在给定相变材料组合方式和传热流体进口温度条件下,传热流体流量存在最佳值。

关键词：组合式相变材料潜热储热换热器储热速率

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相变储热系统传热强化理论与实验研究

相变储热系统传热强化理论与实验研究

作者：方铭浙江大学

学位级别：硕士

潜热储热系统由于具有储热密度高、储热放热过程近似等温的特点，近些年来被广泛应用于太阳能利用、工业余热回收和电力移峰填谷等领域。然而，用于储热的相变材料的导热系数往往较小，这一缺点限制了它的应用和发展。因此，提高潜热储... 详细信息

潜热储热系统由于具有储热密度高、储热放热过程近似等温的特点，近些年来被广泛应用于太阳能利用、工业余热回收和电力移峰填谷等领域。然而，用于储热的相变材料的导热系数往往较小，这一缺点限制了它的应用和发展。因此，提高潜热储热系统的储热放热速率和均匀性成为了目前国内外研究的重点。在相变储热系统中添加肋片是既简单又实用的强化相变材料传热的办法，本文通过数值计算结合实验，研究了不同规格肋片对相变储热单元的储热和放热性能的影响，主要研究内容如下： (1) 利用焓法，建立了套管型相变材料储热系统模型，通过数值计算，研究了储热系统中肋片个数、肋片高度和壁面温度对相变完成时间、储热量和放热量的影响。计算结果表明，肋片的规格和壁面温度对于储热系统的储热性能和放热性能有着重要的作用。 (2) 搭建了相变材料传热强化研究的实验装置，通过实验研究了光管和多种规格肋片管组成的相变储热单元的储热和放热性能。实验结果表明，在相变储热单元中采用肋片能够很好的改进相变材料的储热和放热速率，肋片的结构参数对相变储热和放热速率有较大的影响。 (3) 将数值计算结果和实验结果进行对比，来验证数值计算的准确性，结果显示数值计算值和实验值较为吻合。

关键词：相变材料潜热储热传热强化数值计算焓法

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典型熔盐储热系统耦合换热特性研究

典型熔盐储热系统耦合换热特性研究

作者：朱艳龙哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

太阳能集中技术作为解决太阳能载荷应用问题的关键技术而被广泛地使用和研究。储能系统能够克服太阳能间歇性的缺点,为调整供应和需求关系提供了一种有效的方法。熔盐作为储能系统中的重要工质,其高温工况下的换热特性引起了越来越多的... 详细信息

太阳能集中技术作为解决太阳能载荷应用问题的关键技术而被广泛地使用和研究。储能系统能够克服太阳能间歇性的缺点,为调整供应和需求关系提供了一种有效的方法。熔盐作为储能系统中的重要工质,其高温工况下的换热特性引起了越来越多的关注。然而由于熔盐辐射物性数据的缺乏,辐射传输方程求解的复杂性,很少有关于熔盐导热、对流和辐射耦合换热特性的研究。为了解决上述问题,本研究首先对前人测量的典型熔盐光谱发射率的不确定度进行了分析,结果显示,不确定度是温度和波长的函数,随着波长的增大,测量结果的不确定度也增大。在较短波段内,样品温度的不确定度对总不确定度的影响较大,在较长波段内,信号和容器壁温度的不确定度对总不确定度的影响较大。此外,本研究根据前人计算所得典型熔盐光谱吸收系数,计算了其对应的不同温度的平均吸收系数用于后续的数值仿真。其次,本研究建立了一个三维稳态显热储热系统导热、对流和辐射耦合换热模型,对比了是否考虑辐射时熔盐换热特性的差异。结果显示,在两种情况下,管壁两侧工质轴线温度差异最大可达14%和16%,高温熔盐内部的辐射具有强化换热的作用,并获得了一个考虑辐射换热的无量纲关联式。此外,本研究还分析了熔盐散射反照率及折射率对熔盐换热特性的影响,结果显示,熔盐折射率一定时,熔盐侧轴线相同位置的温度随着散射反照率的增大而增大;散射反照率一定时,熔盐侧轴线相同位置的温度随着折射率的增大而减小。最后,本研究建立了一个二维非稳态轴对称封装颗粒内熔盐相变、对流和辐射耦合换热模型,对比了是否考虑辐射时熔盐熔化速度的差异,其中封装颗粒是潜热储热系统中最重要的储热/释热部分,该模型与文献结果进行了验证。结果显示,辐射的作用尽管不如自然对流那样占主导地位,但是不可忽略。辐射不仅与熔盐的吸收系数和散射反照率有关,还与封装颗粒的形状有关,在研究的五种颗粒中,辐射对红细胞形状和环状封装颗粒的熔盐的强化作用比其余三种形状的明显。

关键词：熔盐储热系统辐射耦合换热显热储热潜热储热

烟气余热回收的填充床储热装置结构优化数值研究

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烟气余热回收的填充床储热装置结构优化数值研究

作者：徐莹莹东北电力大学

学位级别：硕士

蓄热技术是调节供热设备与热用户之间负荷和时间尺度上不匹配的有效手段,还有利于提高能源利用率,保护环境。随着蓄热技术的发展,相变蓄热比显热蓄热能量存储密度高等优点逐步显现。对比不同的蓄热单元形式,球形封装的蓄热单元具有储能... 详细信息

蓄热技术是调节供热设备与热用户之间负荷和时间尺度上不匹配的有效手段,还有利于提高能源利用率,保护环境。随着蓄热技术的发展,相变蓄热比显热蓄热能量存储密度高等优点逐步显现。对比不同的蓄热单元形式,球形封装的蓄热单元具有储能密度大,制备简单等优点,在潜热储热式填充床中得到广泛应用。本文以回收烟气余热为目标,构建填充床储热装置,对以球形封装相变材料的蓄热单元构建的填充床蓄放热特性进行数值模拟研究,通过对优化后的单球及整体填充床进行蓄放热模拟,并根据烟气回收过程的不稳定性,设置相应的变量对传热过程进行分析。主要内容如下:首先,建立含有一定量空气的中心孔道球形相变储热单元物理模型,对相变单元内相变材料的传热特性分析,在Fluent软件中基于熔化凝固模型(Solidification&Melting),引入了Volume of Fluid(VOF)模型,考虑了相变材料在相变过程中的体积变化,获得了球内部相变材料与空气间自由界面的变化情况。在蓄热过程中,相变材料的熔化趋势是迎着传热流体的流动方向进行熔化;而在放热过程中,相变材料与空气的自由界面会以倒梯形的形状向下移动。并通过观察球内部的流场及热通量变化,分析了相变材料在不同阶段的主要传热机制。其次,在对中心孔道球形相变单元传热分析基础上,以Nu数、表面热通量及阻力系数为分析指标,研究了不同特征尺寸d/D对相变材料传热过程的影响。在中心孔道球形相变单元蓄热过程中,随着特征尺寸的增大,传热流体与球形胶囊接触面积越大,从而自然对流强化换热的程度也越高,相变材料的平均熔化速率增加,放热过程中,随着特征尺寸d/D的增加,相变材料的平均凝固速率增加。最后,对由中心孔道球形相变胶囊堆积而成的填充床开展蓄放热过程进行模拟研究。考察储热单元结构、相变球排列方式、传热流体的入口流速等因素对液相率、斜温层、蓄热效率及蓄热量的影响。研究表示,在填充床轴向各测温点处,中心孔道球形相变胶囊较普通结构胶囊所填充的整体填充床提高了蓄放热效率,减小了蓄放热的时间。在填充中心孔道球形胶囊填充床中,顺排排列较插排排列的填充床蓄放热时间分别缩短了4.34%(A2)、12.4%(D2)。在填充中心孔道球形胶囊的填充床中,随着离填充床入口位置越远,两种排列方式的填充床蓄热时间差异越大。入口流速从0.1m/s提高至0.5m/s,蓄热时间缩短了286min。

关键词：相变蓄热中心孔道球形胶囊自然对流填充床潜热储热

高导热型三元复合相变块的制备及其导热系数优化

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高导热型三元复合相变块的制备及其导热系数优化

作者：谢敏华南理工大学

学位级别：硕士

相变材料是潜热储热技术的工作介质,其相变特性和热物性对储热系统的性能产生重要影响。与水合无机盐和熔融盐等无机相变材料相比,有机相变材料不存在过冷、相分离和腐蚀性等固有缺陷,实用性好。然而,有机相变材料的导热系数低。将有机... 详细信息

相变材料是潜热储热技术的工作介质,其相变特性和热物性对储热系统的性能产生重要影响。与水合无机盐和熔融盐等无机相变材料相比,有机相变材料不存在过冷、相分离和腐蚀性等固有缺陷,实用性好。然而,有机相变材料的导热系数低。将有机相变材料与多孔载体相结合来制备定形复合相变材料,不仅可以借助载体的高导热系数来提升复合相变材料的导热系数,而且还能克服相变材料发生固-液相变时的液相泄漏问题。在众多的多孔基质中,膨胀石墨(Expanded Graphite,EG)具有孔体积大且与有机相变材料相容性好等优势,使膨胀石墨基复合相变材料成为了潜热大且导热系数得到提升的一类定形复合相变材料,极具应用前景。鉴于导热系数直接影响相变材料的蓄放热速率,为了适应对蓄放热速率要求高的应用场合,本论文致力于提升膨胀石墨基复合相变材料的导热系数,提出了添加碳材料来制备高导热型三元复合相变块的策略,并通过优化进一步提升三元复合相变块的导热系数。本论文为了提高有机/EG二元复合相变块体导热系数,首先,将有机物PA作为有机相变材料,通过熔融复合法与膨胀石墨复合,制备了PA/EG二元复合相变材料。然后,将高导热碳添加剂碳纤维(Carbon Fiber,CF)和石墨片(Graphite Sheets,GS)分别添加入二元复合相变材料中,并将其压制成圆柱形相变块体,得到高导热型三元复合相变块体。结果表明,添加GS的效果优于CF,PA/GS/EG三元复合相变块体的导热系数为16.5 W/(m?K),并且PA/GS/EG三元复合相变块体的体积焓值为140.50 MJ/m,体积焓值与PA/EG二元复合相变块体相接近。该三元复合相变块体具有高效的蓄放热速率、优异的光热转化性能和良好的热可靠性能。为优化PA/GS/EG三元复合相变块体导热系数,探究了添加剂GS的厚度与宽长比对PA/GS/EG三元复合相变块体热特性的影响。将不同厚度与宽长比的GS添加入复合相变块体中制备PA/GS/EG三元复合相变块体,并对其热特性能进行测试。结果表明,添加剂GS的最佳厚度为0.05 mm,宽长比为13/30。优化后的PA/GS/EG三元复合相变块体的径向导热系数(垂直于压块方向)为21.25 W/(m?K),比PA/EG二元复合相变块体提升了59.8%;其轴向导热系数(平行于压块方向)为46.37 W/(m?K),比二元复合相变块体提高了138.8%;同时,PA/GS/EG三元复合相变块体的体积焓值为140.39 MJ/m,仅比二元复合相变块体体积焓值降低约0.08%。综上所述,PA/GS/EG三元复合相变块体具有高导热系数、较大的相变焓值、高效的蓄放热速率、优异的光热转化性能和良好热可靠性能等特性。因此,PA/GS/EG三元复合相变块体在太阳能热水系统、余热废热回收系统等领域具有巨大的应用前景。

关键词：潜热储热有机相变材料膨胀石墨石墨片导热系数

CaCl2·6H2O-MgCl2·6H2O室温相变储能材料的研究

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CaCl2·6H2O-MgCl2·6H2O室温相变储能材料的研究

作者：李刚中国科学院研究生院(青海盐湖研究所)

学位级别：硕士

能源作为人类生存和发展的重要物质基础,与现代社会的发展与经济的繁荣息息相关。近些年,随着国内建筑行业的不断发展,建筑耗能占国内总能耗的比例逐渐增大。在能源利用率低的现状下,迅速增长的能量需求使得化石能源的枯竭和环境污染等... 详细信息

能源作为人类生存和发展的重要物质基础,与现代社会的发展与经济的繁荣息息相关。近些年,随着国内建筑行业的不断发展,建筑耗能占国内总能耗的比例逐渐增大。在能源利用率低的现状下,迅速增长的能量需求使得化石能源的枯竭和环境污染等问题日益突显。因此,如何降低建筑能耗成为当前人类面临的重要课题。室温相变储能材料是一种高效的建筑节能材料,可用来储存低温热量,减小室内温度波动,可以成为建筑节能技术的重要组成部分。水合盐类相变材料具有性质稳定,储热密度大、热传导高,价格低等优点,而且大多属于中低温相变储能材料,可用于制备室温相变储能材料,其应用及市场前景相当可观。本研究利用察尔汗盐湖钾肥生产以及海西州工业纯碱生产中副产的氯化镁、氯化钙为原料,旨在研究制备CaCl2·6H2O–MgCl2·6H2O室温相变储能材料。实验制备了不同含量MgCl2·6H2O的CaCl2·6H2O–(10、15、20、25wt%)MgCl2·6H2O室温相变储能材料,经实验测定,它们的相变温度处于215℃的室温范围,且随MgCl2·6H2O含量的增多逐渐降低,其结晶过程都存在严重的过冷,过冷度均大于10℃。为应对过冷和相分离缺陷,研究过程中对MgCl2·6H2O含量为25wt%的体系进行了添加成核剂和增稠剂的改性实验。改性实验中,本研究采用均匀实验的方法代替传统的单因素实验,根据二次项回归分析结果,成功筛出SrCl2·6H2O和SrCO3作为体系成核剂,羟乙基纤维素(HEC)作为体系增稠剂。最终制备了相变温度为21℃,过冷度为2℃,相变潜热为102.3J/g的室温相变材料,其添加剂组成为3wt%SrCl2·6H2O+1wt%SrCO3+0.5wt%HEC。经过50次熔化-结晶循环实验,体系性能没有出现较大衰减,稳定性较好。实验性应用中,采用PE以及PE-铝箔复合材料对室温相变储能材料进行了封装,分别制作了相应储热元件,设计了换热器模型和相变储热水箱模型。在储热水箱的应用中,与普通水箱相比,相变储热水箱降温速率较慢,水温能维持较长时间,具有较大的储热能力。实验测定在20℃以上维持的时间大于600分钟,且经过50次的储-放热循环后,相变储热水箱仍具有较好的储热能力,可应用于太阳能集热采暖系统。

关键词：相变材料潜热储热六水氯化钙六水氯化镁均匀实验

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金属有机骨架基复合相变储热材料研究进展

化工进展 2022年第12期41卷 6408-6418页

作者：张新宇赵祯霞广西大学化学化工学院广西南宁530004

固-液相变材料的品种多且潜热大,是潜热储热技术的重要工作介质。因其存在的液相泄漏问题,现阶段常将此类相变材料与多孔载体复合以提升相变材料的应用性能及使用寿命。金属有机骨架(MOFs)是一种新型多孔材料,具有高比表面积、高孔隙率... 详细信息

固-液相变材料的品种多且潜热大,是潜热储热技术的重要工作介质。因其存在的液相泄漏问题,现阶段常将此类相变材料与多孔载体复合以提升相变材料的应用性能及使用寿命。金属有机骨架(MOFs)是一种新型多孔材料,具有高比表面积、高孔隙率以及孔径和表面性质可调控等优势,将其用作相变材料的载体具有潜在的发展前景。本文对MOF基复合相变材料的研究进行了全面综述,详细介绍了以MOFs为载体、以MOFs衍生多孔碳为载体和以MOFs原位生长于高导热基体所得复合材料为载体而制得的多种复合相变材料。MOFs的微孔结构所产生的强毛细管力对固-液相变材料有很强的固定作用;制备较大孔径的MOFs或者对MOFs进行修饰以调节MOF与相变材料间的相互作用,都有利于提高相变材料的负载率,从而提升复合相变材料的潜热;对MOFs进行高温碳化处理得到MOFs衍生多孔碳能有效解决MOFs孔径过小的问题,并能通过对其进行氮掺杂或磷掺杂来增强载体与相变材料间的氢键作用,从而获得具有高负载率和相变潜热的复合相变材料;为了增强MOF基复合相变材料的导热性能,先将MOFs原位合成在高导热基体上以利用高导热基体提供连续的传热网络,可以有效提升复合相变材料的导热系数。将原位生长在高导热基体上的MOFs进行高温碳化处理可以得到MOFs衍生多孔碳与高导热基体的复合材料,将其作为载体可以进一步增强复合相变材料的导热性能。文中最后指出,今后对于MOF基复合相变储热材料所用MOFs和相变材料的种类、MOFs与相变材料间相互作用对储热性能的影响、MOFs与相变材料复合后的稳定性等方面还需进一步探索,将MOFs的催化、检测等功能与相变材料的储热控温功能相结合制备多功能材料也是未来的发展方向之一。

关键词：潜热储热相变金属有机骨架复合材料热传导表面修饰

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固-固相变储热材料的研究进展

化工进展 2021年第3期40卷 1371-1383页

作者：周四丽张正国方晓明华南理工大学化学与化工学院教育部强化传热与节能重点实验室广东广州510640 广东省高效蓄热与应用工程技术研究中心广东广州510640

与固-液相变材料相比,固-固相变材料(SS-PCMs)受到的关注较少;鉴于SS-PCMs具有储能密度高、无毒且腐蚀性小、相变时无液体产生且体积变化较小、不易发生相分离以及过冷度小等优点,因而是一类具有发展潜力的相变材料。本文基于SS-PCMs的... 详细信息

与固-液相变材料相比,固-固相变材料(SS-PCMs)受到的关注较少;鉴于SS-PCMs具有储能密度高、无毒且腐蚀性小、相变时无液体产生且体积变化较小、不易发生相分离以及过冷度小等优点,因而是一类具有发展潜力的相变材料。本文基于SS-PCMs的研究现状,对近年来几类重要SS-PCMs如多元醇SS-PCMs、高分子类SS-PCMs及无机盐类SS-PCMs的研究进展进行了综述。简要阐述了SS-PCMs的分类以及各类SS-PCMs的性能、相变储热机制和优缺点。同时介绍了选择固-固相变材料应用时的基本原则,并针对相变材料热导率低,过冷度大、稳定性差等问题的改性研究进行了综述,还简要综述了SS-PCMs的应用研究。最后指出,未来的研究应着眼于解决已合成SS-PCMs的缺陷,开发多功能的SS-PCMs,并在SS-PCMs的实际应用方面实现突破。

关键词：储热技术潜热储热固-固相变材料相变储热机制热导率过冷度稳定性